基坑的特點以及基坑支護結構的設計研究

劉 魯 濱

(山西省建筑科學研究院有限公司，山西 太原 030001)

1 概述

基坑工程涉及的學科眾多，是一項系統工程。在施工過程中，要更加注重安全性，同時兼顧經濟成本，施工難度的增加會隨著開挖深度的增加而增大，因此，設計在施工中的作用尤為重要，如何兼顧經濟性和安全性，是基坑設計的一大原則。

2 基坑工程的特點

1)臨時性。基坑工程的臨時性主要體現在支護結構，支護結構在施工階段支撐著基坑結構不被外力所破壞，其使用時間有限，一般在1年～2年，加強監測，在基坑開挖過程中是一項重要的工作，一定要做好預處理準備[1]。

2)區域特點明顯。不同地區的基坑結構所處的環境不同，因此在施工設計時也需要因地制宜[2]，一般需要前期勘察，根據勘察報告進行方案的制定，對現場勘查的情況進行全面地分析和研究后，做出適合的方案，不可類似工程全部照舊實施。

3)環境影響。周邊建筑對于基坑施工也有顯著影響，特別是周邊的建筑、地下管線、地下水以及基坑內部的結構，施工的難度因素是一個綜合性指標，取決于周邊綜合特性，一旦設計未考慮周全，會造成地面建筑的沉降、地表隆起等問題，嚴重影響施工的進度。

4)時間以及空間影響。基坑在開挖過程中，暴露時間的長短也會影響基坑的穩定性。同時還有開挖的順序，基坑的深度以及開挖的面積等關鍵因素，原有土質的受力發生變化，建立新的應力—應變體系[3]，要盡快建立穩定的受力體系，防止出現不穩定受力，使得周圍土體的穩定性受到影響。

5)學科綜合性。主要指的是基坑的設計施工要涉及不同的學科以及領域，并不是單一學科可以解決的，其中涉及到土力學[4]、工程地質學、巖石力學、結構力學等專業，要求實際設計人員要精通各種學科，同時針對性的提出合適的設計方案和理念，進行綜合分析和運用。

6)施工難度大。對于周邊建筑繁多的地段進行施工，施工難度會加大，因為要考慮既有建筑的地下結構特點以及地下已有的管線問題，在不影響原有功能的條件下進行基坑施工[5]，要格外注意安全，現有施工安全事故大部分都是由于基坑坍塌導致周邊沉降過大，影響地下管線的結構特點，發生管道漏水，管線切斷，造成人員傷亡和經濟損失。

7)短開挖，快支護。基坑開挖過程中，不要貪圖速度快，一定要做好支護，每次開挖的深度一定要經過嚴格的設計，禁止超挖，而且開挖后支護結構一定要及時進行施工，保證開挖過程中不會產生多余的外力，使得基坑結構發生破壞。

8)施工信息化程度要求高。發生眾多的施工事故與監測以及勘察不到位有關，因此在施工過程中，一定要進行基坑監測，發生問題，及時匯報，及時處理，應用科學的手段和方法保證施工的安全性，同時監測重點部位，掌握土體開挖過程中的相關信息，為后續施工提供建議。

3 基坑支護結構設計案例分析

3.1 工程概況

該工程位于忻州市開發區東南角，基坑南側有熱力管線，建筑綠線，污水管線，化糞池，地下車庫以及住宅樓，基坑的北側有圍墻，電纜線，給水管線以及污水管線。總建筑面積為149 863.28 m2，地下建筑為38 642.32 m2，主樓設計地上23層，地下2層，采用剪力墻結構，筏板基礎。工程基坑開挖深度為10 m。

3.2 周邊地質條件

該工程地形基本平坦，場地地層通過標準貫入試驗以及土工試驗，共有五層，第一層是雜填土，主要是建筑垃圾(磚塊、混凝土塊、灰渣等)和粉質黏土，第二層是粉土，主要是云母碎屑夾粉質黏土或細砂薄層，第三層、第四層以及第五層均是粉質黏土，含有機質、夾粉土及夾黏土等。穩定水位埋深約3.0 m～4.0 m，地下水類型均為上層滯水。建筑場地抗震設防類別為7度。

3.3 基坑支護方案設計

方案一：地下連續墻+內支撐；

方案二：灌注樁+內支撐；

方案三：灌注樁+預應力錨桿。

此三種方案均可滿足支護結構方案，同時保證施工過程中的安全性，但是實際通過現場考察，發現該基坑東臨市政主干道，且工作面積較大，同時內支撐方案耗用較長的時間，施工成本較高，對周邊的環境影響較大等因素，不適合采用內支撐結構，因此淘汰方案一和方案二，選用第三種方案，采用灌注樁+預應力錨桿的方式進行支護結構，同時止水帷幕采用單排水泥土攪拌樁。

4 基坑支護結構計算

4.1 設計工況

設計采用7個工況進行，具體見表1。

表1 工況設計情況表

4.2 整體穩定性計算

采用瑞典條分法進行計算，土條寬度為0.5 m，使用有效應力法確定邊坡的應力狀態。通過計算，滑裂面的圓弧半徑為34.780 m，通過計算求得整體穩定系數為1.45，大于1.25，符合規范要求。

表2 工況抗傾覆穩定性計算表

4.3 地表沉降

通過理正軟件計算地表沉降量，見圖1。通過圖1可以得知，不同的計算方法得出的沉降量不同，其中沉降量最大的是指數法，拋物線法求得的沉降量最小，沉降量發生位置最大的是基坑的坑壁處，離得越遠，沉降量逐漸減小。拋物線法計算得出的沉降量呈現先增大后減小的趨勢，從三種方法中得出，計算結果基本上超過基坑預警值，由于適用條件不同，本工程采用的是拋物線法。

4.4 基坑監測

基坑監測的目的是為了隨時整理實際數據，與理想值進行比較，保證基坑施工過程中的安全性。本基坑屬于一級基坑，監測的主要內容有支護結構的水平位移和豎向位移；支護結構的內力；支護結構水平位移；周邊管線的沉降；周邊建筑、市政道路的沉降。

監測點的布置依據不同的重點部位進行不同的布置安排。其中支護結構的水平和豎向位移的監測點應在基坑的四周進行布置，以及基坑每邊的中部和地質條件差的地方，且監測距離的布置應該不大于20 m，每邊不少于3個。沉降的監測主要有基坑邊上地表的沉降監測，監測點設置在周邊土層或柔性路面上。監測面上的監測點距離宜在20 m以內。基坑周圍地下管線的監測主要在管節、豎井周圍以及管線易破碎處設置，同樣監測點距離宜在20 m以內。周邊道路的監測距離在30 m以內，每條路不少于3個。

基坑工程的監測應該貫穿于基坑工程和地下工程施工的全過程。當開挖深度小于5 m，監測頻率應為2天1次，本工程的開挖深度為10 m，觀測頻率應為1天1次。同時當底板澆筑后7 d內，應該增加監測頻率，1天2次。

監測報警值以及變化速率見表3。

表3 監測報警值以及變化速率

在監測過程中，發生以下情況應立即報警，并采用有效的措施保證支護結構的穩定性。

1)監測次數達到監測報警值的累計值；

2)支護結構或者是基坑周邊出現較大的流砂、管涌等情況；

3)支護結構的支撐或者是錨桿變形過大；

4)周邊建筑出現較大裂縫或者是變形；

5)周邊管線明顯增長或者是裂縫；

6)根據工程經驗，其他必須進行危險報警的情況。

5 結語

本文簡述了基坑結構的特點，而且針對某一具體的基坑進行了基坑支護結構的設計，確保了基坑的穩定。